كيف يحوّل فطر تفحم الذرة دفاعات النبات إلى وسيلة لتعزيز العدوى؟

كشفت دراسة علمية عن آلية غير متوقعة يستغل بها فطر يسبب مرض تفحم الذرة (Corn Smut) دفاعات النبات نفسه لتعزيز قدرته على العدوى والنمو؛ إذ تطلق إنزيمات الذرة إشارة خفية من بروتين يفرزه الفطر، فتعمل هذه الإشارة على تنشيط مستقبل موجود في غشاء الخلية الفطرية، وتحفز خلايا الفطر على الانقسام بوتيرة أسرع.

وتبدأ الآلية عندما يتعرض نسيج النبات لهجوم فطري، فيطلق إنزيمات دفاعية تعمل على تقطيع البروتينات، بما فيها البروتينات التي يفرزها الكائن الممرض، لكن في حالة الفطر المسبب لتفحم الذرة، تتحول هذه الاستجابة الدفاعية إلى إشارة يستفيد منها الفطر للتعرف على نجاحه في اختراق أنسجة النبات.

وتؤدي الإنزيمات النباتية إلى تحرير جزء قصير كان مختبئًا داخل أحد البروتينات التي يفرزها الفطر. ويعمل هذا الجزء على تنشيط مستقبل في الغشاء الخلوي للفطر، ما يدفعه إلى تسريع انقسام خلاياه.

وبذلك، تتحول إحدى آليات دفاع الذرة إلى وسيلة تخبر الفطر بأنه وصل بالفعل إلى داخل أنسجة النبات.

ونُشرت الدراسة كاملة في دورية Nature Communications، وقاد الدراسة فلوريان ألتيجوير، رئيس مجموعة بحثية بمعهد علم الأحياء الدقيقة في جامعة هاينريش هاينه بمدينة دوسلدورف الألمانية، بمشاركة الباحث الرئيسي جابرييل ميندوزا روخاس، عضو مجموعته البحثية.

وشارك في الدراسة باحثون من جامعة غوتنغن الألمانية، وجامعة ولاية كارولاينا الشمالية الأمريكية، وإمبريال كوليدج لندن، وجامعة خرونينغن الهولندية.

وينتمي المستقبل الذي اكتشفه الباحثون إلى عائلة بروتينات تُعرف باسم المستقبلات المقترنة ببروتين G (G Protein-Coupled Receptors – GPCRs)، وهي بروتينات تعمل كمستشعرات موجودة في الغشاء الخارجي للخلايا، وتنقل الإشارات من البيئة المحيطة إلى داخل الخلية.

ويمتلك الإنسان أكثر من 800 نوع من هذه المستقبلات، كما تستهدفها نحو 40% من الأدوية المعتمدة، في حين لا تزال النسخ الموجودة لدى الفطريات أقل فهمًا ودراسة.

وقال ألتيجوير، إن فريقه تمكن من تحديد مستقبل فطري لم يكن معروفًا من قبل، والكشف عن آلية غير مألوفة لتنشيطه.
وأوضح ميندوزا روخاس أن الفطر يستغل، على نحو مثير للمفارقة، إنزيمات النبات المضيف ليكتشف أنه نجح في دخول أنسجته.

الإشارة المختبئة داخل البروتين

يصيب الفطر المعروف علميًا باسم Ustilago maydis نباتات الذرة، ويتسبب في تكوّن تورمات أو أورام نباتية كبيرة تُعرف باسم «الانتفاخات الفطرية» (Galls)، خاصة على الكيزان، حيث ينتج أبواغه التي تساعده على الانتشار.

وكان الباحثون يعرفون بالفعل وجود جينين لدى الفطر لا غنى عنهما لإصابته للنبات؛ إذ إن حذف أي منهما يؤدي إلى انخفاض حاد في تكوّن هذه الانتفاخات.

ويشفّر أحد هذين الجينين بروتينًا يُفرز خارج الخلية الفطرية، ويُعرف باسم «بيت 2» (Pit2)، وتعمل إنزيمات الذرة على تقطيعه إلى جزء بروتيني صغير، له القدرة على تثبيط الإنزيمات النباتية نفسها.

أما الجين الثاني، فيشفّر بروتينًا غشائيًا لم تكن وظيفته معروفة، وعندما بحث الفريق في الجينوم الفطري عن بروتينات تحمل البنية المميزة للمستقبلات، والمكونة من سبعة مقاطع حلزونية تعبر الغشاء الخلوي، ظهر هذا البروتين ضمن 34 نتيجة محتملة، وأطلق عليه الباحثون اسم «جي بي إي 1» (Gpe1).

ولاختبار وظيفة المستقبل، وضع الباحثون البروتين في خلايا خميرة الخبز، بعد تعديلها وراثيًا بحيث تصدر إشارة ضوئية حمراء عند تنشيط المستقبل.

وأظهرت التجارب، أن بروتين Pit2 في صورته الكاملة أحدث توهجًا ضعيفًا، بينما أدت الأجزاء المتحررة منه إلى تنشيط نظام الاستشعار بصورة كاملة، حتى عند استخدام عُشر الجرعة اللازمة من البروتين الكامل.

وتمكن الفريق من تحديد الجزء المسؤول عن تنشيط المستقبل، وتبين أنه يتكون من تسعة أحماض أمينية فقط.
كما نجح الباحثون في تكوين بلورات من بروتين Pit2 وتحديد بنيته، وهو ما ساعدهم على تفسير سبب ضعف قدرة البروتين الكامل على تنشيط المستقبل.

وأظهرت النتائج أن نسختين من البروتين ترتبطان معًا، بينما يظل الجزء المكون من تسعة أحماض أمينية مدفونًا في منطقة الاتصال بينهما، ولا تستطيع تحريره إلا إنزيمات النبات.

ووصف ميندوزا روخاس هذا الجزء بأنه يشبه كنزًا مخبأ داخل صندوق لا تستطيع فتحه إلا إنزيمات النبات، لكنه شبّه فتح هذا الصندوق أيضًا بفتح «صندوق باندورا»، لأنه يطلق إشارة تصب في مصلحة الفطر على حساب النبات.

انقسام خلايا الفطر بوتيرة أسرع

بعد تحديد الإشارة والمستقبل، راقب الباحثون خلايا فطرية حية تحت المجهر، أثناء تعريضها للجزء البروتيني المحفز.

وبعد فترة قصيرة من التعرض للإشارة، رصد الفريق انتقال المستقبل من سطح الخلية إلى داخلها، وهي استجابة شائعة تحدث عندما يتم تنشيط أحد المستقبلات الخلوية.

كما بدأت الخلايا الفطرية في التبرعم والانقسام بوتيرة أسرع؛ إذ استغرقت دورة الانقسام الواحدة نحو 226 دقيقة في غياب الجزء البروتيني، مقابل 167 دقيقة عند وجوده، أي بفارق يقارب ساعة كاملة.

ويتوافق هذا التسارع مع طبيعة دورة حياة الفطر؛ إذ يوقف انقسام خلاياه مؤقتًا أثناء تكوين خيط فطري يمتد داخل أنسجة النبات، ثم يستأنف الانقسام بعد نجاحه في اختراقها.

ويؤدي أحد البروتينات التنظيمية، المعروف باسم «سي إل بي 1» (Clp1)، دورًا في استئناف دورة الانقسام.

وأظهرت التجارب أن الخلايا الفطرية التي تنتج كميات إضافية من المستقبل Gpe1 سجلت زيادة بنحو خمسة أضعاف في كمية الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) الخاص بجين Clp1، كما أدى التعرض للجزء البروتيني المحفز إلى زيادة هذه الكمية بدرجة أكبر.

وقال ألتيجوير، إن نتائج العمل البحثي توضح وجود رابط آلي بين استشعار الفطر للبيئة المحيطة به داخل النبات واستئناف تكاثره بعد نجاحه في اختراق أنسجته.

ولم يقتصر تأثير المستقبل على التجارب المعملية، بل ظهر أيضًا عند اختبار الفطر في النباتات الكاملة.

فقد أجرى الباحثون تغييرات في وحدات بنائية منفردة داخل الجيب المتوقع لارتباط المستقبل بالإشارة، ثم استخدموا الفطريات المعدلة لإصابة بادرات الذرة.

وأظهرت النتائج أن اثنين من التغييرات، اللذين أديا أيضًا إلى تعطيل وظيفة المستقبل في تجارب الخميرة، تسببا في انخفاض كبير في تكوّن الانتفاخات الفطرية على البادرات، عند تقييم الإصابة بعد 12 يومًا.

تطور مشترك بين بروتينين فطريين

وجد الباحثون، أن للمستقبل Gpe1 بروتينات مشابهة لدى أنواع أخرى من فطريات التفحم، بينما لا يظهر البروتين Pit2 إلا لدى الفطر المسبب لتفحم الذرة والأنواع القريبة منه.

واختبر الفريق ما إذا كان كل مستقبل يستطيع الاستجابة للإشارة التي ينتجها نوع آخر من الفطريات.

وأظهرت النتائج أن الإشارة الصادرة عن فطر قريب من الفطر المسبب لتفحم الذرة نجحت في تنشيط مستقبل Gpe1 الخاص به، بينما لم تتمكن الإشارة الصادرة عن فطر تفحم الشعير من تنشيطه.

وفي المقابل، لم تتمكن الأجزاء البروتينية المأخوذة من فطر الذرة إلا من تنشيط مستقبل فطر الشعير بدرجة ضعيفة.

ولاحظ الباحثون، أن التسلسل المكون من تسعة أحماض أمينية، والمسؤول عن تنشيط المستقبل، لم يشهد تغيرات كبيرة بين هذه الأنواع الفطرية، وهو ما اعتبره الباحثون مؤشرًا على تطور المستقبل والإشارة التي يتعرف عليها بصورة مشتركة.

كما كشف البحث البنيوي عن وجود عائلة واسعة من المستقبلات المرتبطة بهذا النوع من البروتينات لدى مجموعة فطرية تضم فطريات التفحم والفطريات التي تنتج الأجسام الثمرية المعروفة باسم عيش الغراب.

ولاحظ الباحثون أيضًا أن إحدى مناطق المستقبل Gpe1 تشبه مفتاحًا جزيئيًا موجودًا في مجموعة كبيرة من المستقبلات البشرية، من بينها المستقبل المسؤول عن استشعار الضوء في العين.

أسئلة لا تزال بحاجة إلى إجابات

رغم النتائج التي توصل إليها الفريق، لا تزال هناك جوانب من آلية العدوى تحتاج إلى مزيد من البحث.

فالتصور الذي يوضح كيفية ارتباط الجزء البروتيني بالمستقبل يستند إلى نموذج حاسوبي تنبؤي، استخدمه الباحثون فقط لتحديد المناطق التي ينبغي تغييرها داخل البروتين.

كما أشار الباحثون إلى أن النسختين اللتين أظهرتا أضعف استجابة للمستقبل قد تكونان أقل استقرارًا من الناحية البنيوية، وليس بالضرورة أقل قدرة على الارتباط بالإشارة، مؤكدين أنهم لم يتمكنوا حتى الآن من الفصل بين الاحتمالين.

ولا تزال الآلية التي تؤدي إلى استئناف انقسام الخلايا الفطرية مفهومة جزئيًا فقط؛ إذ تمثل الزيادة في الحمض النووي الريبي الرسول الخاص بجين Clp1 بعد تنشيط المستقبل تفسيرًا محتملًا لهذه العملية.

كذلك، لا تقتصر عملية تقطيع بروتين Pit2 بواسطة إنزيمات النبات على إنتاج جزء واحد، بل تؤدي إلى تكوين أكثر من جزء بروتيني؛ إذ يعمل أحدها على تثبيط دفاعات النبات، بينما يتولى الآخر تنشيط المستقبل الفطري.

ولم يختبر الباحثون حتى الآن مدى مساهمة كل جزء في عملية العدوى الفعلية داخل النبات، وهو ما يمثل إحدى الخطوات التجريبية المقبلة.
أما السؤال الأوسع، فيتعلق بمدى استخدام فطريات أخرى تصيب المحاصيل الزراعية للآلية نفسها، وهو ما يخطط الفريق البحثي للتحقق منه.

وقال ألتيجوير، إن الباحثين يرغبون في معرفة ما إذا كانت فطريات أخرى تستخدم مستقبلات مشابهة لاستشعار البيئة المحيطة بها وتعديل معدلات نموها.